化學溫習筆記：分子間作用力
各位同學好！歡迎來到關於分子間作用力的溫習筆記。別擔心這個課題聽起來很複雜——它其實就是關於分子如何「黏」在一起的學問。了解這一點非常重要，因為它能解釋水為何是液體、冰為何會浮起來，以及為什麼有些物質的沸點比其他物質高。讓我們一起深入探討吧！
首先，快速重溫：為什麼有些分子像「磁鐵」（極性）
在討論分子之間的作用力之前，我們需要記起是什麼讓分子本身有點像微型磁鐵。這一切都歸結於電負性。
電負性只是一個花俏的詞，用來形容原子在共價鍵中吸引共享電子對的能力。你可以把它想像成原子的「拉力」。
當兩個「拉力」不同的原子形成鍵結時（例如：H和Cl），電子會被拉向較強的原子（Cl）。這會形成一個極性鍵，氯原子帶有少量負電荷（δ-），而氫原子則帶有少量正電荷（δ+）。
極性分子是整體帶有δ+端和δ-端的分子，就像一個微型磁鐵。當分子中的極性鍵不對稱（不均勻地）排列時，就會發生這種情況。水（H₂O）就是一個經典例子！
非極性分子則沒有整體電荷分離。這可能是因為它的鍵是非極性的（例如：Cl₂），或是其極性鍵對稱排列並互相抵消（例如：CO₂ 或 CH₄）。
快速溫習小錦囊
極性分子： 具有永久性的正（δ+）端和負（δ-）端。它們像微型磁鐵。例子：H₂O、NH₃、HF。
非極性分子： 沒有永久性的帶電端。它們是電中性的。例子：O₂、CH₄、Cl₂。
認識這些力：范德華力
這是我們第一種分子間作用力。它是分子之間較弱的吸引力的總稱。記住最重要的一點是，范德華力存在於所有簡單分子物質之間，無論是極性還是非極性分子！
它們如何在非極性分子中發揮作用
這聽起來可能有點奇怪。如果非極性分子沒有電荷，它們又怎麼能互相吸引呢？這一切都與電子的隨機運動有關！
逐步解釋：
分子中的電子不斷移動。
僅僅由於偶然，在千分之一秒內，分子的一側可能會比另一側擁有更多的電子。這會產生一種暫時性的不平衡電荷，稱為瞬時偶極。
這個暫時性的偶極繼而會影響旁邊的分子，把它的電子推開，從而產生一個誘導偶極。
接著，在這兩個分子之間會形成一種非常微弱、短暫的吸引力。這種情況在所有分子之間每秒發生數十億次！
比喻：想像兩個人分別披著蜜蜂（電子）的毯子。如果一個人身上的蜜蜂突然湧向一邊，牠們可能會嚇到另一個人身上的蜜蜂也跑到牠們的遠端。在那一刻，兩個人可能會靠得更近一點！
它們如何在極性分子中發揮作用
這就簡單多了。極性分子本身就已經有永久性的δ+和δ-端。
一個極性分子略帶正電（δ+）的一端，自然會被鄰近分子略帶負電（δ-）的一端所吸引。
這被稱為永久偶極-永久偶極引力。
比喻：這就像一個裝滿微型條形磁鐵的盒子。它們會自然地排列，使一個磁鐵的北極指向另一個磁鐵的南極。
影響范德華力強度的因素
並非所有范德華力都一樣強。它們的強度取決於：
電子數量（分子大小）： 分子的電子數量越多，其電子雲就越大。越大的電子雲越容易變形，形成更強的瞬時偶極。
經驗法則： 分子越大 = 電子越多 = 范德華力越強。
例子：鹵素的沸點隨着族往下而增加（F₂ < Cl₂ < Br₂ < I₂），因為分子變得更大。
重點提示：范德華力
范德華力是存在於所有簡單分子之間最基本、最弱的吸引力。它們隨着分子變大（電子增多）而增強。
特別的分子間作用力：氫鍵
氫鍵就像是永久偶極-永久偶極引力的超級加強版。它是最強的一種分子間作用力。別擔心，它並不是真正的共價鍵，它只是一種分子之間非常強的吸引力。
形成氫鍵的條件
氫鍵的形成，必須符合兩個條件：
分子必須有一個氫原子直接鍵合到一個電負性非常高的原子上。只有氮（N）、氧（O）或氟（F）才符合要求。
另一個附近的分子必須在氮（N）、氧（O）或氟（F）原子上擁有一對孤立電子對。
助記小貼士： 記住，氫鍵就是「FON」（讀音似"fun"，有趣）！
課程中的例子
水（H₂O）： 一個水分子上的H(δ+)被另一個水分子O(δ-)上的孤立電子對強烈吸引。
氨（NH₃）： 一個氨分子上的H(δ+)被另一個氨分子N(δ-)上的孤立電子對吸引。
氟化氫（HF）： 一個氟化氫分子上的H(δ+)被另一個氟化氫分子F(δ-)上的孤立電子對吸引。
常見錯誤警示！
分子CH₄（甲烷）雖然含有氫，但它不能形成氫鍵。為什麼？因為氫是與碳鍵合的，而碳的電負性不夠高。它不是氟、氧或氮！
重點提示：氫鍵
氫鍵是特強的分子間作用力，只發生在含有H-F、H-O或H-N鍵的分子之間。它們比范德華力強得多。
強度比較：鍵與力
了解它們的強度差異至關重要。讓我們從最強到最弱排列。
共價鍵 >> 氫鍵 > 范德華力
共價鍵： 這是分子內作用力（分子內部）。它們極其堅固。你需要化學反應才能將其破壞。
分子間作用力（氫鍵和范德華力）： 這些是分子之間的作用力。它們比共價鍵弱得多。你只需加熱物質（例如煮沸水）就能克服它們。
比喻：想像一條由鋼鏈環（共價鍵）組成的鏈子。鏈子本身非常堅固。兩條獨立鏈子之間的微弱磁性吸引力就是分子間作用力。將兩條鏈子分開很容易，但要破壞單個鋼鏈環則非常困難。
分子間作用力如何影響物質特性
這就是我們學習這些知識的原因！分子間作用力直接控制物質的物理特性。
沸點
規則： 分子間作用力越強，將分子分開所需的能量（熱能）就越多，因此，沸點就越高。
例子：為什麼水（H₂O，相對分子質量 = 18）是沸點100°C的液體，而甲烷（CH₄，相對分子質量 = 16）卻是沸點-161°C的氣體？
答案： 水分子之間存在強大的氫鍵。甲烷分子之間只有微弱的范德華力。克服水分子間的強氫鍵需要更多的能量。例子：乙醇（CH₃CH₂OH）由於其-OH官能團而能形成氫鍵。這使得它的沸點（78°C）比大小相似但只有范德華力的丙烷（CH₃CH₂CH₃）高得多。
冰的特殊情況
氫鍵解釋了水最奇特且最重要的性質之一：為什麼冰會浮起來！
在液態水中，分子彼此靠近但隨機移動。氫鍵不斷地斷裂和重新形成。
當水結冰形成冰時，分子會排列成盡可能形成最多氫鍵的結構（每個分子四個）。這迫使它們形成固定的、有規則的立體晶體結構。
這個結構中存在大的六邊形空隙。它是一種開放晶格結構。
由於這些空隙，冰中的分子平均距離比液態水中的分子更遠。這意味著冰的密度比液態水小，這就是它會浮起來的原因！
你知道嗎？
冰能浮起來這一事實對寒冷氣候下的生命至關重要。當湖泊結冰時，頂層的冰塊能隔絕下方的水，阻止其完全凍結，從而讓魚類和其他水生生物得以在冬天存活下來。
章節總結
化學鍵與分子間作用力比較
類型： 共價鍵
相對強度： 非常強
描述： 一種分子內作用力，將原子固定在分子內部。
類型： 氫鍵
相對強度： 中等（最強分子間作用力）
描述： 分子間作用力，存在於含有H-F、H-O或H-N鍵的分子之間。
類型： 范德華力
相對強度： 弱（最弱分子間作用力）
描述： 分子間作用力，存在於所有簡單分子之間。
你成功了！關鍵在於記住分子內部的作用力（共價鍵）和分子之間的作用力（分子間作用力）之間的區別。這些分子間作用力，即使是微弱的，也是我們周圍世界物理特性背後的秘密。繼續努力吧！